光耦电路

2024-06-20

光耦电路（精选4篇）

光耦电路篇1

交流电源在我们日常生活和工业生产的各行各业中是最常用的一种能源,因此,我们需要在不同的使用场合对它有不同的有效控制手段,才能正确、高效地使用它。目前,各种对交流电的有效控制手段层出不穷,控制电路也是各种各样,如各种各样的交流调压电路就是交流电的有效控制电路之一。在交流电的控制电路中经常需判断交流电的过零时刻,下面介绍一种经过调试后,证明能有效地在交流信号过零时产生一个脉冲信号的交流过零信号产生电路,供大家参考使用。

1 电路组成

交流过零信号产生电路电路原理图如图1所示:

电路由以下几部分电路组成:

1)降压电路

降压电路由降压变压器T承担,它把220V交流电压变换为各种场合所需的低压交流电,供其他低压交流电路使用。这里转换为9V,供后面的全波桥式整流电路使用。

2)全波桥式整流电路

全波桥式整流电路由四个IN4001整流二极管组成,其作用是把交流电的负半周也转换为正半周,使交流信号的一个周期中,有两个正半周期信号,即把正弦交流信号波形转换为均为正向的脉动直流电波形。

3)光耦隔离电路

光耦隔离电路由光耦EL817、输入限流电阻R1、输出集电极偏置电阻R2和+5V直流偏置电源组成。

EL817是台湾亿光公司生产的一体化光电耦合器,其作用是使输入端与输出端的信号完全隔离,避免输入信号与输出信号之间的互相干扰,,增加电路安全性,简化电路设计。

限流电阻R1的作用是使EL817输入端工作电流小于60m A,保证光耦输入端的正常工作,使电光转换正常,从而实现输入输出的光隔离作用。

偏置电阻R2和+5V直流偏置电源是光耦输出电路光敏三极管的偏置电路,使光耦正常

进行光电转换,从而输出与输入信号成正比的集电极信号。

4)三极管开关电路

三极管开关电路由电阻R2、R3、三极管9013和+5V直流偏置电源组成,其作用是在交流信号过零时刻产生一脉冲信号,以供后续电路判断交流信号的过零时刻。

2 电路工作原理

当220V交流电和+5V直流电接通后,220V交流电经变压器T后转换为9V的交流电,经全波桥式整流后波形转换为脉动直流电(波形由图2所示),然后经限流电阻R1限流后送到光耦EL817输入端的内部发光器件LED上,使其发光,把脉动直流电转换为强弱变化的光信号,经光耦EL817内部的光敏接收三极管将光信号转换成电信号,然后将电信号经光敏三极管的集电极输出,送到三极管9013组成的开关电路的输入端,使开关电路在交流信号过零时刻产生一个负脉冲信号从开关电路的输出端(三极管的集电极)输出(波形由图3所示),供需判断交流过零时刻的电路使用。

光耦EL817实现了“电-光-电”的转换及传输,光是传输的媒介,因而输入端与输出端在电气上是绝缘的,也称为电隔离,从而使输入端与输出端信号相互隔离,避免互相干扰。

当正弦交流信号电压接近零时,信号电压较小,光耦EL817内部的发光二极管截止,光耦内部光敏三极管也截止,其集电极输出端输出的集电极电流为0,使三极管9013组成的开关电路的输入端被反向分流最小,三极管9013处于饱和工作状态,使开关电路的输出端输出低电平(+0.3V)。

当正弦交流信号电压增大到使较大值时,信号电压较大,光耦EL817内部的发光二极管开始发光,光耦内部光敏三极管因接收到较强光线而开始工作,其集电极输出端输出的集电极电流较大,使三极管9013组成的开关电路的输入端被反向分流增大,迫使三极管9013退出饱和工作状态而开始进入截止工作状态,使开关电路的输出端输出高电平(+5V)。

从以上分析可知,在正弦交流电过零时,电路就会产生一个较窄的负脉冲,供需判断交流过零时刻的电路使用。

3 元器件参数选择和电路调试

要使电路正常产生一过零脉冲,则元器件的参数选择及电路的调试极其重要,具体选择和调试过程介绍如下:

因为我们选的降压变压器次级输出电压有效值为9V,相对较低,所以,整流二极管选择IN4001就可以了。从百库文库和百库百科中查到EL817光耦的输入LED发光二极管的最大正向电压为1.4 V,最大输入电流为60m A,输出接收光敏三极管最大集电极、发射极耐压为35 V,最大集电极电流为50m A。所以,光耦输入端的限流电阻R1的阻值选择220Ω,输出端的直流偏置电压选择5V,集电极偏置电阻R2(同时也作为开关电路三极管的基极偏置电阻)的阻值选择1kΩ,开关电路的三极管选择9013,其集电极偏置电阻R3阻值也选择1kΩ。

元器件参数选择后,按照图1正确连接好电路,接通交流220V和+5V直流电源,然后,用双踪示波器测得全波整流电路u1和u2的波形如图2所示,u2经光耦和开关电路后,u2和开关电路的输出uo的波形如图3所示。

从图2和图3波形中可以看出:该电路在正弦交流信号每次过零时产生一个负脉冲信号,证明该电路确实是一个实用的交流过零信号产生电路。

4 结束语

文章介绍的交流过零信号产生电路是一个经过验证的、实用的电路,该电路设计简单明了、制作方便,工作可靠性高,使用的元器件取材容易,性价比均较高,可应用于各种需判断正弦交流过零的场合,特别是晶闸管交流调压的场合。

摘要：在交流电信号控制中经常需对交流过零时刻进行判断,因此,通常利用电路手段,在交流信号过零时产生一个特殊信号,以供检测电路判断交流信号的过零时刻。文章介绍一种简单、实用并已经过验证的、切实有效的交流过零信号产生电路,可以在交流信号过零时产生一个脉冲信号。

关键词：交流过零,桥式整流,光耦,三极管

参考文献

[1]郑晓峰.模拟电子技术基础[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2]百库文库:光耦EL817中文资料[EB].

[3]百库百科:光耦EL817[EB].

光耦电路篇2

在瞬变电磁勘探中,需要在高压强电磁环境下采集发射源信号进行反褶积运算.如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁.且各干扰信号会随着采集信号进入采集系统,这些干扰信号的叠加会降低信号的信噪比[1,2],不利于以后的信号处理.因此在高压强电磁环境下进行信号采集必须使采集系统与采集信号实现有效的电气隔离.光电隔离可以避免高压窜入低压的采集系统,且光电耦合器输入阻抗小于干扰源的内阻,因而使叠加于被测信号上的干扰信号被极大地衰减,从而保证采集信号的准确度.线性光耦HCNR201为一模拟信号光电隔离器件,可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,输出跟随输入变化,线性度达0.01%,并且可以避免内部外部电路因接地不同而带来的误差.目前,基于该器件对单极性信号隔离的电路比较多[3,4,5].双极性信号高线性度隔离比单极性信号高线性度隔离复杂,这方面的研究也比较少.基于该器件工作原理特性,设计出一种基于线性光耦HCNR201双极性信号的隔离电路.

1 HCNR201简介

HCNR201的原理如图1所示.它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电二极管D3组成.当D1通过驱动电流If时,发出红外光(伺服光通量).该光分别照在D2、D3上,反馈光电二极管D2吸收光通量的一部分,从而产生控制电流I1(I1=0.005If).该电流用来调节If以补偿D1的非线性.输出光电二极管D3产生的输出电流I2与D1发出的伺服光通量成线性比例.令伺服电流增益K1=I1/If,正向增益K2=I2/If,则传输增益K3=K2/K1=I2/I1 ,K3的典型值为1.该器件的非线性度为0.01% ,带宽大于1 MHz,额定隔离电压为8 000 V.但不可以无限期在任意温度下隔离8 000 V电压.其连续运行隔离电压为1 414 V.

2 双极性信号隔离电路设计

基于HCNR201的特性设计了一种双极性信号隔离电路如图2所示.该电路由互补的两部分组成,光耦1用于正极性信号的隔离,光耦2用于负极性信号的隔离.在隔离电路中,R2调节初级运放A1输入偏置电流的大小,C1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管LED受到意外冲击.R1可以控制LED的发光强度,从而对控制通道增益起了一定作用[6].

2.1 隔离电路原理分析

该电路由互补电路组成,正极性信号隔离电路与负极性信号隔离电路原理相同,只是信号输入方向和电压极性相反.因此只以正极性信号隔离电路做为分析,其隔离电路如图3所示.在图3中,I1=K1·If,I2=K2·If,其中K1、K2为伺服电流增益和正向增益.由电路可知

Vin=I1·R2= K1·If·R2 (1)

Vout=I2·R3=K2·If·R3 (2)

则电路电压增益为

G=Vout/Vin=(K2·If·R3)/(K1·If·R2) (3)

在线性光耦HCNR201中K2=K1.所以

G=R3/R2 (4)

从式(4)可以看出,该隔离电路的电压增益只与电阻R3和R2有关,与光耦的电流传输特性无关,从而实现电压信号隔离.

2.2 运算放大器A1、A2的选择

HCNR201是电流驱动,其工作电流要求1～20 mA,因此运放A1的驱动电流必须可以达到20 mA.由于隔离信号为双极性,则设计中采用双电源供电的LM358运算放大器,其输出电流可达40 mA.运放A2组成一电压跟随电路,实现输出电路的阻抗匹配.设计中运放A2也选用双电源供电的LM358运算放大器.

2.3 电阻R1、R2和R3的取值

由运放A1(电路图如图3所示)虚断特性知

U+=U-=Vin (5)

由电路图3可知

If=(Vout-Vd1)/R1 (6)

其中,Vd1为发光二极管D1的正向压降.

I1=U-/R2=Vin/R2 (7)

由于I1=0.005If[6] ,则式(6)、式(7)可化简为

Vin/R2=0.005(Vout-Vd1)/R1 (8)

当R1=0.005 R2时,Vout-Vd1=Vin,即If=Vin/R1,则R1= Vin/If (9)

设计中Vin=-4～+4 V,由于MORNSUN 电源隔离器提供电源,因此Vcc=+12 V ,Vee=-12 V,为满足If 取值范围1～20 mA,R1=Vin/If=4/(20×10-3)=200 Ω ,R2=R1/0.005=40 kΩ,R3=R2=40 kΩ.

2.4 隔离电路试验结果

该电路首先在protuse进行仿真实验,其输入信号为峰峰2 V的正弦波,(如图2)当只用光耦1进行信号隔离时,其输出波形如图4所示,由图4知光耦1只隔离正极性的信号,对负极性信号无隔离作用.当只用光耦2进行信号隔离时,其输出波形如图5所示,由图5知光耦2对正极性信号无隔离作用.当用光耦1和光耦2组成的互补电路(如图2)进行信号隔离时,其输出波形如图6所示,由图6知该互补电路可实现对双极性信号的隔离.

该电路已用于井中大功率瞬变电磁场采集仪器中,所采集的井中大功率脉冲电磁场源发射电压与电流波形如图7所示,所采电压信号为分压后发射源电压,其分压比例为1 000:1.由图7可知最大电压为1.5 V,则发射源电压为1 500 V,所采集最低电压为-0.4 V,则发射源电压为-400 V.为方便对电流信号的采集,把电流信号经0.5 Ω电阻变为电压进行采集,由图7知所采集最高电压20 V,流经放电线圈的电流为40 A,其电流波形与理论推导的波形相一致.经试验验证在强电压环境(1 500～-400 V)下,连续对发射源信号进行采集,高压未烧毁采集卡.因此该隔离电路实现了对双极性信号隔离采集,且可隔离瞬变额定电压为8 000 V.

3 结束语

实验结果表明,应用线性光耦HCNR201组成的双极性信号隔离电路线性度好、电路简单,有效地解决了高压强电磁对高速采集系统的影响,且由于光耦输入阻抗小,极大地衰减了叠加在采集信号上的干扰信号,提高了信号的信噪比,提高了信号处理的精确度.文中所设计的双极性隔离电路以其低成本、高稳定度、高线性度的优点可广泛应用在自动化仪表输入输出隔离、热电偶的隔离、数据通信、电压电流检测和测量、工业控制等领域.

参考文献

[1]谭颖琦,范大鹏,陶溢.基于线性光耦HCNR200的DSP采集电路设计与实现[J].电测与仪表,2006(6):46-48.

[2]秦伟刚.光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,2006(6):2603-2604.

[3]张宝生,王念生.基于高线性度模拟光耦器件HC-NR20 0模拟量隔离板[J].仪表技术,2005(5):59-60.

[4]AN SANG HOU.A Wide Bandwidth Isolation AmplifierDesign Using Current Conveyors[J].Analog IntegratedCircuits and Signal Processing,2004,40:31-38.

[5]邱吉冰,赵伟.电流小信号隔离采集板的设计与实现[J].自动化仪表,2007(4):61-63.

光耦电路篇3

1 定义

本质安全电路:在GB3836.4-2010规定的条件下, 包括正常工作和规定的故障条件, 产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。

本质安全设备:所有电路为本质安全电路的电气设备。

本质安全型“i”:电气设备的一种防爆型式, 它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。

2 介绍几种器件的应用

2.1 二极管

有些电池充电端直接施加在电池两端, 而未经过限流电阻, 这样就存在电池通过充电端子放电的危险。为防止该危险, 可以在电池的充电回路中串联防止电池放电的反向二极管, 二极管的个数需要根据保护等级确定。还有些电池充电端虽未直接施加在电池两端, 而是经过一级保护板, 如锂电池, 但是根据保护等级施加故障, 同样存在电池通过充电端子放电的危险。这里需要注意的是, 二极管必须与电池灌封为一个整体, 如果加在充电器中, 则形同虚设。灌封就是为保证电路本质安全性能的需要, 将电路中某些电气元件或电路的某一部分用绝缘胶 (如环氧树脂、硅橡胶等) 灌封起来构成一个整体, 以达到防爆的目的。

外部供电的本质安全设备, 电源输入端可以串联二极管, 从而减小设备最大内部电容Ci。因为电容无法通过反向二极管并联到电源端。二极管的个数仍然需要根据保护等级确定。这里需要特别注意的是, 选用关联设备时, 关联设备的最高输出电压Uo不能大于本质安全设备的最高输入电压Ui。

在隔爆兼本质安全型声光报警器的报警电路中, 常常会有比较大的电容。这个电容还不能减小到满足本质安全的范围, 否则声音会比较小, 不满足声级强度的要求。为了解决这个问题, 可以在报警电路的供电回路中串联二极管, 并将整个报警电路包括二极管灌封起来, 只将喇叭放在外面。这样电容就无法通过反向二极管放电到爆炸性环境。同时要考虑电容不能通过喇叭放电。二极管的个数根据保护等级确定。

在设计隔爆兼本质安全型电源时, 为了滤波, 在输出端会串联电感。但是这个电感会减小电源的最大外部电感Lo, 即减小电源的带感性负载能力。为了解决这一矛盾, 可以在电感两端并联二极管, 电感通过二极管放电, 从而减小本质安全电源输出能量。二极管的个数需要根据保护等级确定。燃气表、本质安全型电动球阀内部的电机电感值一般比较大, 如果电机是单向的, 也可以在电机两端并联二极管。这样电机通过二极管放电, 实现本质安全电路。在这里电机和二极管必须灌封为整体, 电机无端子直接放电到爆炸性环境。前面讲到的隔爆兼本质安全型电源输出端的电感和二极管不需要灌封为整体是因为置于隔爆壳体内。

2.2 光耦

光耦可用于隔离本质安全电路与非本质安全电路, 特别是信号的隔离。比如隔爆兼本质安全型分站, 输入信号是本质安全的, 内部电路是非本质安全的, 这时就可以采用光耦进行隔离。

即使隔爆兼本质安全型分站的输入信号是本质安全的, 内部电路也是本质安全的, 也要考虑光耦隔离。这样做的目的是为了对多路信号进行隔离, 防止多路信号发生并联, 进而多路电源发生并联, 不满足本质安全电路的要求。在设计大的系统时, 比如监控系统, 也要考虑隔离, 防止信号发生并联, 进而多路电源发生并联, 不满足本质安全电路的要求。在设计有多路电源输出的隔爆兼本质安全型电源时, 各路输出电源之间不允许共地, 也是为了防止多路电源发生并联, 影响本质安全性能。

2.3 继电器

在起动器等大型设备中, 经常用到继电器, 用于本质安全信号控制非本质安全电路的通断。一般情况下, 本质安全电路和非本质安全电路不允许接到同一个继电器的不同触头上, 否则需用绝缘隔板或接地金属隔板隔离。

2.4 电阻

燃气表、本质安全型电动球阀内部的电机如果是单向工作, 可在电机两端并联二极管实现本质安全电路。如果是双向工作, 可采用串联电阻或是并联电阻的方式进行处理, 实现本质安全电路。串联电阻就是通过减小电机的工作电流, 从而满足电机的本质安全性能, 同时还必须考虑满足电机的工作性能。并联电阻与并联二极管的原理类似, 只是并联电阻可用于双向工作的电机, 电机可通过电阻放电, 实现本质安全电路。在这里电机和电阻必须灌封为整体, 电机无端子直接放电到爆炸性环境。

电阻用来限制电池电流, 不考虑电池内阻, 要求电阻功率P≥ (U2/R) ×1.5, 其中U是电池电压, R是电阻值。这时P往往比较大, 因为R不可能选得很大。为了满足本质安全性能, 电池和限流电阻需要灌封为整体, 如果电阻功率太大, 体积就大, 就不太好和电池一起灌封在电池盒内。为此, 可再串一只熔断器, 这时电阻功率只需要满足P≥1.5× (1.7×In) 2×R, 其中In是熔断器额定电流。

对于相比电压等级电容偏大的电路, 可串联限流电阻, 实现本质安全性能。将电容和电阻灌封为整体, 这样就有一个等效电容, 等效电容的大小由原电容和降低系数的乘积获得。串联电阻越大, 降低系数越小, 等效电容就越小。

3 结语

本文简单介绍几种器件在本质安全电路中的典型应用, 分析设计本质安全电路时需要注意的问题, 及可以采取的解决方式。具体电路需按照可靠器件、计数故障与非计数故障进行分析, 包括器件的功率、电压、电流、间距等具体内容。

参考文献

[1]GB3836.4-2010.爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备[S].

光耦电路篇4

关键词：电流传输比,双路光耦,直流分析,交流分析,误差分析

光电耦合器件把发光器件和光敏器件组装在一起, 以光为媒介, 实现输入和输出之间的电气隔离。光电耦合是一种简单有效的隔离技术, 关键技术在于破坏了“地”干扰的传播途径, 切断了干扰信号进入后续电路的途径, 有效地抑制了尖脉冲和各种噪声干扰。电流传输比是光电耦合器件性能的一个重要标志[1], 定义为输出电流与输入电流的比值。

虽然光电耦合器具有非常好的隔离性能, 但是由于非线性使其不能在模拟信号的隔离上大量使用。线性光耦的出现有效地解决了这个问题。但用其搭成电路后, 电路线性输出范围较窄 (在0~3 V左右) [2], 并且价格较高, 在某种程度上影响了它的适用范围。本文利用双路光耦设计了非线性光耦的隔离电路, 在实现线性传输完成信号采集的同时, 增宽了电路的线性输出范围。

1 电路设计

1.1 设计原理

光敏二极管是光伏型器件, 有光伏型和光电导型两种工作模式[3]。线性光耦内部大多采用光敏二极管进行光耦合, 因此, 线性光耦 (如SLC800等) 大多都有两种工作模式。光敏三极管虽然是光伏效应器件, 但在零偏时, 光敏三极管并无信号电流输出[4]。因此, 利用光敏三极管进行光耦合的光耦器件仅具有光电导型工作模式。

光敏三极管是一种相当于将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器[4,5], 其原理如图1 (a) 所示。其工作过程可分为光电转换和光电流放大两个环节。当基极受光时, 入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子-空穴对, 生成光生电压, 由此产生的光生电流进入发射极, 从而在集电极回路中得到了一个放大了β倍的信号电流。由此可知, 在同样光照、同样偏压条件下, 光敏三极管的输出电流是光敏二极管的β倍, 所以光敏三极管构成的光耦电流传输比是光敏二极管的β倍, 电路中与光耦串联的同一阻值电阻的分压也是β倍, 如图1 (b) 所示。由此可通过利用光敏三极管进行光耦合的光耦器件设计一种线性输出范围较宽的线性光耦隔离电路。

1.2 电路组成

设计电路由光电耦合部分、输入部分和输出部分组成, 如图2所示。

双路光耦采用TLP521-2, 由两个发光二极管和两个光敏三极管构成。将两发光二极管串联使其通过相同的电流, 进而使两光敏三极管受光相同。一光敏三极管构成伺服反馈回路, 经运算放大器反馈到输入端, 称为伺服光电管;另一光敏三极管构成输出回路, 典型用法是后接运算放大器, 称为传输光电管。常规发光二极管对时间和温度的响应都是非线性的。伺服反馈有利于发光二极管输出线性化, 主要是利用运算放大器的功能特性, 微调发光二极管的传输电流作保证。

电容C的选用是必要的, 在电路的工作过程中它主要起反馈作用[6], 若不加电容在输出端会出现三角波, 使运放两输入端的电压不能保持一致, 影响电路的精度。为增大电路的输入阻抗并减小输出阻抗, 在电路的输出端将运放A2作为跟随器使用, 以提高电路的带负载能力。

为实现真正的隔离, 必须对电路的输入和输出部分电路进行电源隔离[2], 运放A1和伺服光电管使用同一电源, 输出光电管和运放A2使用同一电源。运放选用LM358。电容电阻的参数如表1所示。

2 电路分析

TLP521-2内部发光二极管在电流驱动下发光照射光敏三极管, 光敏三极管受光后产生光生载流子注入发射区产生扩散电流, 该电流在集电极和基极间被放大 (要求在集电极和基极间加正向电压) 。因此, 可以认为驱动发光二极管的电流和通过光敏三极管的电流有一比例关系, 设比例系数为k。集电极基极电流随光照的增强逐渐趋于饱和, 即光电流与入射光照成非线性关系, 所以, 该比例系数k为一变量。

2.1 直流分析

由运放的工作特性可知, 运放A1的输出端和输入端电压相等, 即有Vi=V1+=V1-, 所以电阻R5上的电压为Vi。伺服光电管和传输光电管受光导通后, 在电源作用下生成电流Ip1和Ip2, 并且有Ip1=Ip2。电流Ip2流过电阻R4后生成电压V4=Ip2×R4。因R1=R4, 故Vi=V4。V4通过跟随器后得到输出电压Vo, 最终得Vi=Vo。

由以上分析可知, 该电路在采集直流信号时, 信号的输出实现了光电隔离, 但输出结果与光电器件无关。

2.2 低频交流分析

双路光耦TLP521-2中, 两光敏三极管受光相同, 反馈电阻R5和输出电阻R4上电压相同, 可将反馈电压视为由R4上电压控制的受控电压源;将传输光电管等价为一个受控电流源[7]。反馈电路直接从输出端引出, 并且输入信号和反馈信号分别加在运放的两个输入端上, 所以该反馈为串联电压反馈[8]。

电压跟随器A2等效为放大倍数为1的受控电压源。在低频交流电路中由于电容C的阻抗很大, 将电容C忽略不计。该电路的交流等效电路如图3所示。

Zi1、Zi2分别为运放A1的输入和输出阻抗, Av1、Av2分别为运放A1、A2的放大倍数, Zd为发光二极管阻抗, k为光电流与驱动电流的比值, Zg为光敏三极管输出阻抗, Zif、Fv分别为反馈电路的输入阻抗和放大倍数。

其中ZD=Zo1+Rled+Zd, 由以上分析可知Av2=Fv=1, V2=Vo, 故上式可简化为:

式中, 为有限值, Zg、R4、ZD为定值, Av1趋于无穷大, 故有F趋向于无穷大, 隔离电路放大倍数

2.3 误差分析

电路噪声包括外部噪声和由器件引起的噪声。外部噪声很多, 有电磁干扰带来的噪声、信号源引入的噪声等;器件引起的噪声在于集成电路内部器件工作时生成的噪声, 例如光敏二极管暗电流带来的噪声。外部噪声可以通过电磁兼容设计降噪, 而内部噪声是不能通过电路改变的。

光耦引起的误差是该电路的主要误差来源。光耦的低频噪声包括1/f噪声和g-r噪声, 在很宽的频率范围内表现为两者的叠加[1]。半导体表面的一些缺陷 (重金属杂质、位错) 可在禁带中引入一些浅陷阱能级和深陷阱能级, 造成表面1/f噪声, 是1/f噪声噪声的主要来源;光敏三极管发射结空间电荷区深能级对载流子俘获和发射, 引起了结区两端电势的涨落, 该涨落又以指数的形式调制了基区电流, 最终表现为大幅度的g-r噪声。

虽然双路光耦TLP521-2内部的两个光耦物理特性较为一致且封装在一起, 但是两发光二极管的发光程度和两光敏二极管的受光程度仍会有所差别。电路中两光敏二极管的电源使用的不是同一电源, 在有差异的正向电压下工作的光敏二极管的光敏特性也有所不同。因此, 在进行工程应用前必须先对光耦的性能进行测试, 挑选性能好的双路光耦搭建电路。

在工程实际中, 电阻的阻值是其标称阻值允许偏差范围内的任意值, 一般电阻的允许误差可达20%, 精密电阻为5%。对电路中的电阻R4和R5, 若其阻值存在较大偏差, 就会使电路的输出出现误差。可将电阻R4或R5分成一个固定阻值和一个电位器的串联, 利用电位器进行调整使其阻值相等。

由电路的直流和交流分析可知, 输出电压和输入电压应相等, 但以上分析都是建立在理想模型上, 在实际工程中, 其结果有一定的差别。这是系统误差不可避免的。

3 实验测试

由电路分析可知, 无论是直流还是低频交流, 电路的放大倍数都为1。只是由于误差的存在会使输出与输入有较小的差值。

3.1 直流电路电压测试

按电路组成搭建电路, 选取运放A1两输入端和运放A2输出端作为测点, 实验中间隔0.5 V, 测量各测点电压一次。测得实验结果如表2所示。

由表2可知, 在0~4.5 V范围内输出与输入差值仅在毫伏级, 在4.5 V~5 V之间的差值也在0.01 V左右, 5 V以后差值开始变大。由理论分析和表中的测试结果可以看出, 采用光敏三极管进行光耦合的光耦器件输出电流较大, 使光耦的电流传输比增大, 提高了所搭建电路的性能, 主要表现为搭成的电路线性输出范围得到了较大的扩展。

3.2 低频交流电路电压测试

给电路输入幅值为2 V、频率为50 Hz的正弦交流电压信号。由分析可知, 电路的放大倍数约为1, 所以, 电路的输出仍为同样波形的电压信号。用示波器采得输出端波形如图4所示。

由实验结果可知, 该电路满足低频下交流信号隔离的要求, 即可实现除幅值和相位外, 信号无其他变化, 实现了电路的设计目的。

注:本实验中, 未将电阻R4或R5分成一个固定阻值和一个电位器的串联。

本文采用光敏三极管进行光耦合的双路光耦TLP521-2搭建了实现线性输出的信号采集电路, 该电路在保证测试精度的基础上扩展了电路的线性输出范围, 完成了测试目的。但需要指出的是, 本文没有对电路的带宽及响应时间做出理论分析及实验测试。这些问题还需进行深一步的研究。

参考文献

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